Постоянный рост численности населения Земли требует увеличения темпов и объемов производства сельскохозяйственных продуктов питания, которые приходится выращивать на крайне ограниченных пространствах. По причине нехватки земель необходимо увеличивать производительность сельского хозяйства с точки зрения урожайности на гектар, чтобы поддерживать достаточные глобальные запасы продовольствия, кормов и биоэнергии. Интенсивное растениеводство с экономически и экологически оптимальным использованием удобрений позволяет открывать весь потенциал урожайности сельскохозяйственных культур. Является наиболее оптимальным вариантом увеличения урожайности, не прибегая к экстенсивному сельскому хозяйству и расширению пахотных земель.
Как и любая деятельность человека, интенсивное растениеводство и, в частности, применение минеральных удобрений создает собственный углеродный след. В этой статье мы рассмотрим причины выделения парниковых газов от удобрений, объемы этих выделений и способы их компенсации.
Выбросы, производимые сельским хозяйством в разных регионах земли составляют от 1,5 до 50%. Это очень емкая отрасль на ряду с производством, транспортом и зданиями.
По данным Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) более 20 % общих выбросов парниковых газов от деятельности человека приходится на сельское хозяйство. И их процент с каждым годом постоянно растет. Согласно последнему анализу, только на синтетические азотные удобрения приходится около 2,4% глобальных выбросов.
Начнем с такого основополагающего понятия, как «почвенный углерод». Он возникает как в процессе роста и гибели корней растений, так и в результате переноса обогащенных углеродом соединений из корней в почвенные слои.
Почва является крупнейшим хранилищем углерода. В глобальном масштабе концентрация углерода в почве в 2 раза больше чем в атмосфере и в 3 раза больше, чем в живой биомассе (совокупной массе растительных и животных организмов). Однако сельскохозяйственная почва теряет почвенный углерод из-за разложения и эрозии. Для продолжения получения больших объемов урожая требуется его восстановление. Для этих целей и нужно удобрение.
На протяжении тысячелетий люди использовали минеральные и органические удобрения, такие как навоз или перемолотые кости, для повышения плодородия почвы. Минеральные применяются для того, чтобы сбалансировать разрыв между постоянным истощением в почве питательных веществ, потребляемых при выращивании урожая.
Появившиеся в XX веке искусственные землеудобрения значительно увеличили объем урожайности, позволив выращивать больше продуктов на меньшем количестве земли. Эти меры способствовали сохранению природных лесов и пастбищ. Но последствием всплеска применения неорганических добавок стал многократный рост выбросов парниковых газов, вызывающих потепление на планете. По разным оценкам мировое сельское хозяйство обладает вторым по величине следом после промышленности. Ведь как изготовление и транспортировка, так и применение минеральных удобрений влекут за собой большое выделение двуокисид углерода (CO2) и оксид азота (N2O).
С другой стороны подкормки также увеличивают продуктивность сельского хозяйства и стимулируют поглощение CO2 сельскохозяйственными культурами. Они повышают урожайность и снижают потребность в возделывании новых земель, тем самым предотвращая выбросы парниковых газов в результате изменения землепользования. Их общее мировое производство характеризуется медленным, но стабильным ежегодным ростом в 3–4%.
Вес в объемах производства от общей выработки в среднем представляют следующую картину:
Значительный источник выбросов парниковых газов связан с изготовлением синтетических азотных (N) удобрений, используемых в процессах растениеводства. Их применение признано важнейшим фактором, но так же способствует прямым выбросам оксида азота (N2O) от сельскохозяйственных почв.
Азот является одним из основных питательных веществ, необходимых растениям для роста. Но растения не могут поглощать азот из воздуха так, как они могут поглощать углекислый газ или кислород. В начале 1900-х годов ученые изобрели процесс массового производства азотсодержащего соединения, аммиака, который растения могут поглощать из почвы. Сегодня аммиак является вторым наиболее часто производимым химическим веществом в мире, приобретаемым в огромных количествах и очень эффективным.
Это изобретение произвело революцию в сельском хозяйстве, удвоив количество сельскохозяйственной продукции, получаемой с одного гектара земли. Но главная проблема состоит в том, что аммиак необходимо производить под высоким давлением и при высоких температурах, а это означает, что на его производство уходит много энергии. Большая часть этой энергии поступает от сжигания ископаемого топлива, такого как уголь и метан, которые в своем углеродном следе выделяют диоксид углерода, СО2 – основную причину изменения климата. Сегодня на изготовление аммиака приходится от 1 до 2% мировых выбросов углекислого газа.
Далее удобрения начинают производить парниковые газы после попадания в почву. Сельскохозяйственные культуры в среднем поглощают только около половины азота, который они получают из синтетических добавок. Оставшаяся часть размывается дождевыми водами и уходит в близлежащие водоёмы или разлагается микробами в почве, высвобождая в оксид азота в атмосферу. И хотя на оксид азота приходится лишь небольшая часть мировых выбросов. Но опасность состоит в том, что парниковый эффект от одного грамма оксида азота в 300 раз сильнее, чем от такого же количества углекислого газа.
Экономически и экологически оптимальная норма внесения азота составляет около 195 кг на 1 гектар с\х земель.
Для понимая реальных объемов выбросов парниковых газов в аграрном секторе, возьмем сельскохозяйственную ферму площадью около 20 га, на которой выращивают пшеницу с применением удобрений. В данном случае годовые выбросы CO2 будут в районе 9.700 тонн в год, что составляет примерно 30% от общего годового объема углеродного следа фермы. Для сравнения, СО2 от животноводства в данных условиях будут составлять около 11.500 тонн в год или 36 % общего числа, а сжигание топлива – 1.300 тонн и 4% соответственно.
Ученые и инженеры работают над преобразованием процесса производства удобрений с целью снижения высоких температур и давления, необходимых в настоящее время для производства аммиака. Результатом этих работ будет сокращение потребления предприятиями органического топлива. Параллельно развивается концепция перевода производящих аммиак заводов на возобновляемые источники энергии или другие экологически чистые и безопасные для природы и климата источники. Упрощение и экологизация производства аммиака в будущем позволит частным хозяйствам самостоятельно производить аммиачные удобрения.
Также сокращению применения определенного объема синтетических удобрений может способствовать эффективное использование продуктов жизнедеятельности животных. Некоторые исследовательские лаборатории уже проводят эксперименты по созданию природного органического землеудобрения. Важной его особенностью будет то, что оно сокращает выбросы от использования синтетического, а также компенсирует выбросы, производимые в процессе животноводства.
И наконец, чтобы решить проблему выбросов оксида азота, необходимо разработать методику уменьшения количества добавляемых удобрений, не жертвуя при этом урожайностью.
Для этого предполагается несколько способов в использовании удобрений:
Но помимо технической регламентации применения удобрений, необходимо принятие законодательных мер по сокращению их чрезмерного использования с целью получения максимального эффекта в ущерб экологическому качеству сельскохозяйственной продукции. Некоторые страны и регионы уже начинают двигаться в этом направлении. Так, например Европа, уже объявила о планах сократить подкормки земли на четверть за это десятилетие в рамках программы по повышению устойчивости местного растениеводства.
Дополнительные материалы: